JPH09125157A - 雰囲気熱処理炉に用いられる金属帯の支持ロール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炉内の熱効率の低下を防ぎ、ロール表面のビ
ルドアップ性の向上を図り、ロール表面温度を金属帯の
熱処理に適した温度に維持することができる金属帯を支
持するためのロールを提供する。 【解決手段】 ロール本体２２と外套管２４との間に断
熱層２６を設け、ロール本体２２には通水路３３を形成
して冷却水を供給する。断熱層２６は、熱伝導率が約
０.３ｋｃａｌ／（ｍ・時・℃）の珪砂、鉄粉およびセ
ラミックファイバなどの耐熱性を有する粉粒体によって
構成し、外套管２４の外周面には約８００℃以上の耐熱
性を有する材料から成る表層２７を溶射によって形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、大気開放カテナリ型連
続焼鈍炉などによって代表される加熱炉および均熱炉な
どの雰囲気熱処理炉に通板される金属帯を支持するため
のロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、金属帯であるたとえばステンレ
ス鋼帯の製造工程において、熱間圧延または冷間圧延に
よって生じた加工歪のように加工硬化したステンレス鋼
帯の組織を改善するために、焼鈍が行われる。このよう
な焼鈍は、ステンレス鋼帯の種類およびそのステンレス
鋼帯が熱間圧延後か冷間圧延後かの相違によって、焼鈍
条件が異なる。すなわち、熱間圧延後のステンレス鋼帯
の焼鈍の主な目的は、加工性を向上させるために軟化す
ることと、結晶粒を整粒化することである。特にオース
テナイト系ステンレス鋼では、クロム炭化物を固溶さ
せ、耐食性を向上させ、さらに加工歪を除去することを
目的とした溶体化処理が必要である。また冷間圧延後の
ステンレス鋼帯の焼鈍の主な目的は、冷間圧延によって
加工硬化した材料を再結晶させて軟化させることであ
る。またオーステナイト系ステンレス鋼の場合は、再結
晶させるという目的の他に、冷間圧延によって生じたマ
ルテンサイト相をオーステナイト相に戻すという目的が
ある。

【０００３】このような焼鈍は、焼鈍炉の高温の炉内雰
囲気中に金属帯を連続通板して行われる。焼鈍炉には、
基本的に、予熱帯および加熱帯を有し、この加熱帯は横
型焼鈍炉の場合、２〜３室から成り、各室の間には通板
される金属帯に直接接触して支持するハースロールと呼
ばれる支持ロールが設けられる。加熱帯は、その雰囲気
温度が１２００〜１３００℃程度の高温度であり、その
ため金属帯は同温程度に加熱される。このような高温雰
囲気中では、金属帯に付着して炉内へ持込まれた金属粉
や金属酸化物であるスケールが、図１６に示されるよう
に、支持ロール１の表面２上に焼結し、ビルドアップと
呼ばれる隆起物３を形成する。この隆起物３は、大部分
がＦｅ成分であるが、その他にもＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃ
ｒなどの酸化物系成分も含まれ、主に金属帯表面に付着
したスケールの炉内への持込みによって、ロール表面の
ビルドアップが成長する。特に還元性雰囲気であるたと
えばＮ₂ 雰囲気中においては、Ｆｅ成分よりもＦｅ酸化
物がビルドアップ源に成りやすく、還元されていく過程
における活性化が焼結反応を促進し、結合または粒成長
によってビルドアップが発生するものと考えられてい
る。

【０００４】このようなロール表面のビルドアップの発
生を防止するために、図５に示されるように、ロール本
体５にその軸線に沿って冷却水の通水路６を形成し、ロ
ール本体５の外周面上には断熱層７を形成し、この断熱
層７上には外筒管８が装着され、この外筒管８の外周面
にはセラミックスから成る厚さ４０〜８００μｍ程度の
皮膜９を形成して、ロール本体表面が過冷とならないよ
うにして、炉温に近い温度に保持するようにした技術が
周知である。このような従来の技術は、たとえば特開昭
６２−１９２５２１号公報に開示されている。

【０００５】また他の従来の技術では、耐ビルドアップ
性を向上するために、たとえば特公昭６０−２５４９０
号公報に開示される従来の技術では、スリーブの嵌合焼
結あるいは溶射によるＳｉ１５％以上の金属層が金属ロ
ール表面に形成され、これによってロール表面にＳｉＯ
₂ の皮膜を形成して、鉄粉あるいは酸化鉄とロール表面
との反応を抑制し、ビルドアップの生成を防止してい
る。

【０００６】さらに特公平５−４４５号公報に開示され
る他の従来の技術では、金属珪素含有量が１重量％以下
の炭化珪素、窒化珪素あるいはそれらの混合物を３０〜
７０重量％含み、残部がＣｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａ
ｌ、Ｗ、Ｙの単体または２種以上の混合物もしくは合金
から成るサーメット層の溶射被覆を、ロール表面に形成
することによって、耐摩耗性および耐ビルドアップ性を
向上している。

【０００７】さらに支持ロールの軸線方向の温度分布を
均一化する技術として、特開平６−２７９８３６号公報
に開示される従来の技術では、ロールの内面に多硬質物
質を設けてそのロール内を真空にし、かつ内部にナトリ
ウムなどの作動流体を封入し、ロール自体をヒートパイ
プのように構成し、軸線方向の温度分布の均一化を図る
ように構成している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような特開昭６
２−１９２５２１号公報、特公昭６０−２５４９０号公
報、特公平５−４４５号公報および特開平６−２７９８
３６号公報に示される各従来の技術では、高温雰囲気中
で金属帯を支持するロールの一般的な必要条件である耐
熱性（すなわち高温耐酸化性）、耐磨耗性、耐ビルドア
ップ性、耐高温強度（亀裂、剥離など）、熱伝導性およ
び経済性を満足する必要があり、上記の各従来の技術に
おいてこれらの条件を満足することが可能であるとして
も、前述したように焼鈍炉の予熱帯と加熱帯とは複数の
室に区切られ、各室毎に温度条件が異なり、したがって
各室毎に設けられる支持ロールのロール表面の温度は、
その支持ロールが設けられる位置によって相違する。一
例として、強制対流式予熱帯ＣＷＰと放射式予熱帯ＲＷ
Ｐと３室から成る加熱帯とを備える焼鈍炉において、冷
間圧延されたクロム系ステンレス鋼帯を焼鈍処理する場
合について述べると、前記強制対流式予熱帯ＣＷＰでは
５００℃、放射式予熱帯ＲＷＰでは８５０℃、加熱帯の
各室では通板方向上流側から下流側に向かって９２５
℃、１０８０℃、１０３０℃に設定され、各室によって
雰囲気温度が異なる。しかも通板材をクロム系ステンレ
ス鋼からニッケル系ステンレス鋼に代えると、強制対流
式予熱帯ＣＷＰでは７８０℃、放射式予熱帯ＲＷＰでは
９５０℃、加熱帯の各室では通板方向上流側から下流側
に向かって１０００〜１１００℃、１２００〜１２２０
℃、１２５０℃と前記クロム系ステンレス鋼帯の通板時
よりも炉内の雰囲気温度が高くなる。

【０００９】このように各雰囲気温度が異なれば、各支
持ロール表面のビルドアップの成長量も相異する。セラ
ミックファイバーロールの使用例では、特に高温域の加
熱帯では支持ロールの磨耗量が大きく、たとえば４日間
で直径が５〜７ｍｍ減少するため、前記放射式予熱帯Ｒ
ＷＰおよび加熱帯の各室に設けられる支持ロールは４日
毎に新品または研磨して再生された代替ロールに交換し
なければならず、このようなロール交換に要するライン
の停止によって生産性が低下してしまう。また、各支持
ロールの表面温度が低いと、炉内熱効率が低下するとと
もに、通板される金属帯によって炉内に持込まれたスケ
ールがロール表面に付着して焼結し、金属帯の表面に押
込み疵が全長にわたって発生し、金属帯の品質が低下し
てしまう。

【００１０】このように炉内に設けられる各支持ロール
は、ロール自体の耐久性を向上し、ロール交換によるラ
インの停止によって生産性の低下を防止するために、低
い温度であることが好ましい。またこれとは逆に、熱処
理される金属帯から見れば、ロール表面へのスケールの
付着による押込み疵が発生して、品質が低下してしまう
ことを防止しなければならない。このように支持ロール
にとって好適とされる条件と、製品である金属帯にとっ
て好適とされる条件とが相反し、このような相反する問
題を同時に解決し得る金属帯の支持ロールが所望されて
いる。

【００１１】したがって、本発明の目的は、炉内の熱効
率を低下することなしに耐ビルドアップ性を向上し、ロ
ール表面の温度を金属帯の熱処理に適した温度に正確に
制御することができるようにした雰囲気熱処理炉に用い
られる金属帯の支持ロールを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、軸線方向一端部から他端部にわたって冷却水が供給
される通水路が形成されるロール本体と、ロール本体に
冷却水を供給する冷却水供給源と、ロール本体の外周面
よりも半径方向外方に間隔をあけて前記ロール本体に同
軸に装着される金属製の外套管と、外套管の内周面とロ
ール本体の外周面との間に介在され、断熱性を有する粉
粒体から成る断熱層と、外套管の外周面上に形成され、
耐熱温度が少なくとも７００℃以上の耐熱性材料から成
る表層とを含むことを特徴とする雰囲気熱処理炉に用い
られる金属帯の支持ロールである。本発明に従えば、ロ
ール本体と外套管との間には断熱層が介在され、前記ロ
ール本体には冷却水が供給される。外套管の外周面上に
は耐熱性材料から成る表層が形成される。このような構
成によって、雰囲気熱処理炉内のたとえば７００〜１３
００℃程度の高温雰囲気中において、表層および外套管
が高温となっても、断熱層によって表層および外套管か
らの熱がロール本体に伝達される熱伝達量を少なくし
て、ロール本体だけでなく外套管の内周部も表層および
外套管の外周部に比べて低い温度に維持し、かつロール
表面をできるだけ高い温度に維持して、炉内の熱効率を
低下させることなしに、耐ビルドアップ性を向上させる
ことができる。またロール本体への冷却水の供給量を適
宜調整することによって、ロールの表面温度を金属帯の
熱処理に適した温度に正確に制御することができる。

【００１３】請求項２記載の本発明は、前記外套管に設
けられる温度検出器と、前記外套管の温度を検出する手
段と、冷却水供給源からロール本体へ供給される冷却水
の供給量を、前記温度検出器によって検出された外套管
の検出温度に基づいて、その検出温度が予め定める設定
温度に保たれるように制御する流量制御手段とを含むこ
とを特徴とする。本発明に従えば、ロール本体に供給さ
れる冷却水の供給量は、流量制御手段によって温度検出
手段による検出温度が予め定める設定温度を保つように
制御される。このような構成によって、支持ロールの表
面温度を正確に金属帯の熱処理に適した温度に制御する
ことが可能となる。たとえば支持ロールを焼鈍炉の強制
対流式予熱帯、放射式予熱帯および複数の室から成る加
熱帯にそれぞれ設けたとき、各領域での雰囲気温度に応
じたロール表面温度となるように温度管理を行うことが
できる。

【００１４】請求項３記載の本発明は、前記表層は、外
套管の外周面に前記耐熱性材料を溶射して形成されるこ
とを特徴とする。本発明に従えば、溶射によって外套管
の外周面に表層が形成されるので、前記表層を大きな密
着強度で外套管の外周面に形成することができ、これに
よって外套管の外周面の高温における酸化による耐剥離
性を向上し、剥離による高温強度の低下を防ぐことがで
きる。

【００１５】請求項４記載の本発明は、前記表層は、Ｃ
ｒ₂Ｏ₃，Ａｌ₂Ｏ₃を含む前記耐熱性材料から成ることを
特徴とする。本発明に従えば、Ｃｒ₂Ｏ₃の酸化速度の低
減および酸化皮膜の剥離抑制効果によって、外套管の外
周面を保護し、支持ロールの耐磨耗性を向上し、耐久性
を向上することができる。

【００１６】請求項５記載の本発明は、前記断熱層は、
約０．３ｋｃａｌ／（ｍ・時・℃）以上の熱伝導率を有
することを特徴とする。本発明に従えば、断熱層の熱伝
導率を約０．３ｋｃａｌ／（ｍ・時・℃）以上とするこ
とによって、支持ロールのロール表面を炉内の高温雰囲
気温度と同程度にして、ロール本体への熱伝達を低減
し、ロール本体を熱から保護するとともに、ロール本体
の熱膨張にする歪や強度の低下を防ぐことができる。

【００１７】請求項６記載の本発明は、前記粉粒体は、
ステンレス鋼粉、クロム鋼粉、珪砂、鉄粉、セラミック
ス粉または繊維、および繊維状または糸状のアスベスト
のうちいずれか１つまたは複数から成ることを特徴とす
る。本発明に従えば、上記各種の材料から成る粉粒体が
用いられるので、粉粒体とその粒子間の空隙とによる相
乗効果によって、断熱層の熱伝導率を上記のように約
０．３ｋｃａｌ／（ｍ・時・℃）以上とすることができ
る。

【００１８】請求項７記載の本発明は、前記外套管は、
その軸線方向一端部がロール本体に固定され、軸線方向
他端部が耐熱性材料から成る環状の端板によってロール
本体に軸線方向に移動可能に支持されることを特徴とす
る。本発明に従えば、外套管の軸線方向一端部がロール
本体に固定されるとともに、この外套管の軸線方向他端
部が端板によってロール本体に軸線方向に沿って移動可
能に支持されるので、外套管およびロール本体の熱膨張
および熱収縮による軸線方向の相対的なずれを許容する
ことができ、外套管およびロール本体の材質が相互に異
なることによる収縮率または伸び率の相違によって、支
持ロールに歪を生じることが防がれる。

【００１９】請求項８記載の本発明は、前記ロール本体
は、中空の内筒管と、この内筒管の外周面に螺旋状に巻
回される長尺のスペーサと、スペーサが巻回された内筒
管が挿入され、熱伝導性を有する材料から成る外筒管と
を含み、内筒管の外周面と外筒管の内周面との間には、
前記スペーサによって螺旋状の通水路が形成され、この
通水路は、ロール本体の軸線方向一端部側で内筒管の内
部空間に連通し、軸線方向他端部側から前記内部空間内
へ冷却水が供給されることを特徴とする。本発明に従え
ば、外筒管の内部空間内に軸線方向一端部側から供給さ
れた冷却水は、内部空間内を軸線方向他端部側へ導か
れ、内筒管の外周面と外筒管の内周面との間にスペーサ
によって形成される通水路内に供給される。このような
通水路内の冷却水によって、外筒管は十分に冷却されて
抜熱され、前記断熱層を介して伝達される熱を吸収し
て、外筒管を適度な温度に冷却することができる。しか
も冷却水は螺旋状の通水路内に供給されるので、冷却水
が外筒管の内周面に接触している時間を十分に確保する
ことができ、これによって冷却水による熱回収を広い温
度範囲で達成し、ロール表面の温度を正確かつ確実に制
御することが可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
雰囲気熱処理炉に備えられる金属帯の支持ロール２１を
示す断面図であり、図２は図１の切断面線ＩＩ−１１か
ら見た拡大断面図である。雰囲気熱処理炉とは、焼鈍酸
洗ラインに設けられるカテナリ型焼鈍炉、光輝焼鈍炉、
普通鋼のめっきラインに設けられる還元焼鈍炉などとし
て用いられる加熱炉および均熱炉ならびにばね材などの
焼入れおよび焼戻しを行う焼入れ焼戻し炉などを含み、
本形態では、大気開放カテナリ型焼鈍炉によって金属帯
であるステンレス鋼帯を通板して焼鈍を行う場合につい
て説明する。

【００２１】一般に、ステンレス鋼帯の製造工程におい
ては、熱間圧延または冷間圧延によって生じた加工歪あ
るいは加工硬化したステンレス鋼帯の圧延組織を改善す
る目的で、焼鈍、すなわち焼なましまたは応力除去焼鈍
とも呼ばれる加熱処理を行う必要がある。またステンレ
ス鋼帯の種類によって、焼鈍条件もそれぞれ異なり、さ
らに熱間圧延後の焼鈍と冷間圧延後焼鈍とは目的や設備
も異なっている。熱間圧延後の焼鈍の主な目的は、加工
性を向上させるための軟化、および結晶粒を整粒化する
ことである。特にオーステナイト系ステンレス鋼では、
クロム炭化物を固溶させ、耐食性を増大させるととも
に、加工歪を取除くことを目的とした溶体化処理が必要
である。また冷間圧延後の焼鈍は、冷間圧延によって硬
化した材料を、再結晶させて軟化させることが目的であ
る。特にオーステナイト系ステンレス鋼の場合は、この
再結晶させるという目的の他に、冷間圧延によって生じ
たマルテンサイト相をオーステナイト相に戻すという目
的がある。

【００２２】このような金属帯の材質および冷間圧延後
の焼鈍処理か熱間圧延後の焼鈍処理かによって、上述の
大気開放カテナリ型焼鈍炉の構成が異なる。この焼鈍炉
としては、たとえば１つの強制対流式予熱室と２つの加
熱室から成る冷間圧延後のステンレス鋼帯を焼鈍する焼
鈍炉、１つの放射式予熱室と２つの加熱室とから成る冷
間圧延後のステンレス鋼帯を焼鈍するための焼鈍炉、１
つの強制対流式予熱室と１つの放射式予熱室と３つの加
熱室とから成る焼鈍炉が用いられている。このようなカ
テナリ型焼鈍炉の強制対流式予熱室、放射式予熱室およ
び各加熱室には、通板される金属帯をカテナリ状に支持
する複数の支持ロール２１が設けられる。支持ロール２
１は、７００℃〜１３００℃の高温の大気開放雰囲気化
において、耐熱性、割れおよび剥離などの高温強度、炉
内熱効率の低下およびロール表面温度の低下による金属
帯の品質に影響を及ぼさない程度の熱伝導率を有するこ
と、ロール表面に異物が付着しにくく、耐ビルドアップ
性を有すること、および耐磨耗性を有することなどの各
種の条件を満足しなければならない。

【００２３】本形態の支持ロール２１は、軸線方向一端
部から他端部にわたって冷却水が供給されるロール本体
２２と、ロール本体２２に冷却水を供給する冷却水供給
源であるポンプ３５と、ロール本体２２の外周面２３よ
りも半径方向外方に間隔ｄ１をあけて、前記ロール本体
２２に同軸に装着される金属製の外套管２４と、外套管
２４の内周面２５とロール本体２２の外周面２３との間
に介在され、断熱性を有する粉粒体から成る断熱層２６
と、外套管２４の外周面２３上に形成され、耐熱性材料
から成る表層２７とを含む。

【００２４】前記ロール本体２２は、中空の内筒管２８
と、この内筒管２８の外周面２９に螺旋状に巻回される
長尺されるワイヤーロッド３０と、ワイヤーロッド３０
が巻回された内筒管２８が挿入され、熱伝導性を有する
材料から成る外筒管３１とを含む。前記内筒管２８の外
周面２９と外筒管３１の内周面３２との間には、前記ワ
イヤーロッド３０によって螺旋状の通水路３３が形成さ
れ、この通水路３３は、ロール本体２２の軸線方向一端
部側で内筒管２８の内部空間３４に連通し、軸線方向他
端部側から前記内部空間３４内へ冷却水が供給される。
このように本形態では、ロール本体２２に金属帯と接触
する外套管２４を別途に設け、その外周面２３上に表層
２７を形成している。外套管２４は、耐熱性金属であっ
て、本形態ではＳＵＳ３１０が用いられる。

【００２５】このような外套管２４の材質は、本件発明
者によって次のようにして決定された。すなわち、焼鈍
炉内の雰囲気温度は７００〜１３００℃にも達するた
め、外套管２４とロール本体２２との間隔ｄ１を１０ｍ
ｍとし、空気による断熱層にして、下記の表１に示され
る各種の材料によって外套管２４を形成し、炉内で耐酸
化限界温度を測定した。

【００２６】

【表１】

【００２７】図３は、代表的なステンレス鋼ＳＵＳ３１
０，ＳＵＳ３３０，ＳＵＳ３０９，ＳＵＳ３４７，ＳＵ
Ｓ３０４および耐熱鋼２５Ｎｉ−２０Ｃｒ，１４Ｎｉ−
１９Ｃｒの加熱および冷却の繰返しによる重量変化を示
すグラフである。これらの表１および図３からも明らか
なように、ステンレス鋼ＳＵＳ３１０は耐熱鋼の中で高
温での耐酸化性が非常に優れた材料であることが判る。
このようにして外套管２４としては、高温での耐酸化性
に優れたＳＵＳ３１０を用いることが好ましい。

【００２８】前記外筒管３１は、普通鋼、もっと詳しく
はＪＩＳ Ｇ３４４５に規定される機械構造用炭素鋼鋼
管ＳＴＫＭ１３Ａが用いられる。また内筒管２８は、ス
テンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌから成る。さらにワイヤーロ
ット３０は、φ８ｍｍのステンレス鋼線ＳＵＳ３０４か
ら成り、内筒管２８の外周面２９にピッチ６４ｍｍで螺
旋状に巻回されて熔接されている。

【００２９】次に、前述した表層２７について述べる。
本形態では、前記表層２７は溶射によって形成されてお
り、表面粗度はＲａ＝０．２〜０．５μｍに選ばれる。
この表層２７を溶射によって形成する利点は、広範囲に
溶射材料の選定ができることである。７００〜１３００
℃という高温での耐酸化性を改善する添加元素として
は、クロムが最も広く利用されており、アルミニウムと
シリコンとが補助的に用いられる。クロムやアルミニウ
ムは、本形態のような大気開放型焼鈍炉内の高温雰囲気
などのような高酸化性環境のもとでは、優先酸化して、
それぞれＣｒ₂Ｏ₃およびＡｌ₂Ｏ₃を生じ、あるいはＮｉ
Ｏ・Ｃｒ₂Ｏ₃のようなスピネル型酸化物となって、安定
な保護皮膜を形成する。Ｃｒ₂Ｏ₃は、酸化速度の低減と
酸化皮膜の剥離抑制効果を有し、Ａｌ₂Ｏ₃は耐剥離性が
著しく改善される。本形態で採用した表層２７の溶射仕
様は、表２に示される。

【００３０】

【表２】

【００３１】溶射材質はＣｏＣｒＡｌ−ＺｒＳｉＯ₄ 系
サーメットであり、その断面構成を図４に示す。このサ
ーメット層３７は、外套管２４との結合を強くし、熱膨
張による整合を避けるためにボンド層３８を介在してい
る。このボンド層３８は、ＣｏＣｒＡｌから成る。また
耐ビルドアップ性および耐磨耗性を向上するために、溶
射後に表層２７の表面を７００℃で１時間、均熱処理
し、表層２７の表面にＣｒ₂Ｏ₃を析出させている。この
ようなサーメット層３７およびボンド層３８から成る表
層２７の厚みは、Ｔ１＝０．４〜０．５ｍｍである。

【００３２】このように表層２７の構成を選定した理由
は、７００〜９５０℃の還元雰囲気炉１０で普通鋼帯を
焼鈍し、また１１５０℃の酸化雰囲気炉内で厚板ステン
レス鋼帯を焼鈍処理したとき、３年以上にわたってビル
ドアップが生じないことを本件発明者によって確認した
ためである。溶射法としては、難溶融金属、セラミック
スおよびサーメットなどの溶射材料に適したプラズマ溶
射法が用いられる。このプラズマ溶射は、Ｎ₂ガス、Ｈ₂
ガスおよびＡｒガスなどの熱源とし、プラズマ炎は１０
０００℃前後の高温域となるが、溶射時の表層２７の表
面温度は１５０℃以下に制御することが可能であり、被
溶射物に対して変形、割れおよび強度の劣化などの熱影
響を与えない。このような理由によって、表層２７を外
套管２４の外周面２３上に形成するにあたって、プラズ
マ溶射を用いることが好ましい。

【００３３】このような溶射によって表層２７が形成さ
れた支持ロール２６を焼鈍炉の加熱帯に設置し、複数回
にわたってテストを行った結果、通板した金属帯に押込
み疵が発見されたため、ロール表面に異物が付着してい
ると判断し、ビルドアップの生成形態を解析するため
に、表層２７から採取した異物の微細構造を調査し、成
分を分析した。その結果、表層２７の表面とビルドアッ
プ部分との境界では、溶射金属とビルドアップ部分の金
属とが相互に反応して、一体化しているように観察され
た。またビルドアップ部分は積層構造を成していること
から、最初に生成したビルドアップ部分の表面に新たな
酸化スケールなどが付着して成長したものと判断され
る。このビルドアップ部分の成分は、分析の結果、Ｆｅ
分が８６％を占め、Ｃｒが約１１％、その他微量のＮ
ｉ，Ｓｉ，Ｃｏなどが含まれていることが確認された。
これらの金属は、ステンレス鋼の含有成分である。しか
しＣｏはステンレス鋼に含有しているもののスケール中
には発生しないと考えられるため、ビルドアップ部分の
中にＣｏが分布していることが、溶射材料に含まれるＣ
ｏとＦｅとの反応によってビルドアップが生成すると考
えられる。ビルドアップの生成は、低温域で使用するロ
ールには発生しにくい現象であるため、高温域で使用す
る場合にロール表面と金属帯表面の酸化物との固相反応
によって発生することが確認された。そこで、次のよう
に溶射材質および断面構成を変更する。

【００３４】

【表３】

【００３５】耐ビルドアップ性を向上するためには、溶
射層３７を上述のサーメットＣｏＣｒＡｌ−ＺｒＳｉＯ
₄ 系からセラミックＣｒ₂Ｏ₃−Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＯ₂ 系に
変更した。Ｃｒ₂Ｏ₃は、鉄系材料との反応性が悪いため
に耐ビルドアップ性に優れた材料であるけれども、単独
で使用した場合には、高温での密着力が劣るため、剥離
しやすい。そこでＡｌ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂を添加するこ
とによって、密着力が向上されることが確認されたけれ
ども、セラミック溶射の欠点は膜厚を厚くすると剥離し
やすいため、本件発明者はセラミックスの膜厚を図５に
示されるように、Ｔ２＝３０〜５０μｍとして、焼鈍炉
内にロールを設置し、炉内雰囲気温度を８６０℃として
金属帯を１８ｍ／分の通板速度で焼鈍した結果、金属帯
に押込み傷を発見した。しかもロールの表面粗度が平均
１．１１μｍ、最大でも１０μ以下にする必要があるた
め、溶射材料としてセラミックスを用いることが困難で
あることが確認された。

【００３６】以上の実験結果から、支持ロール２１を炉
温８８０℃以上とし、金属帯の温度を炉温に近い状態と
した高温域で使用すれば、ビルドアップが生じることが
確認された。したがって、表層２７の材質などの選択に
よって耐ビルドアップ性を向上することが不可能である
ため、表層２７については耐熱性（高温耐酸化性）、耐
磨耗性、耐高温強度（亀裂、剥離の防止）および熱伝導
性が各条件を満足すれば良いものとし、耐ビルドアップ
性については水冷ロールを前提として断熱層２６の熱伝
導率の調整によってロール表面温度をビルドアップを生
成しない所望温度と成るように温度制御することについ
て検討を行った。

【００３７】図６は、断熱層２６の熱伝導率を求めるた
めの熱計算に用いられる諸元を示す支持ロール２１の模
式的な断面図である。熱計算の条件は次のとおりであ
る。

【００３８】 外套管２４の外径 Ｄ１＝２２０ｍｍ 外套管２４の内径 Ｄ２＝１９０ｍｍ 外筒管３１の外径 Ｄ３＝１７０ｍｍ 外筒管３１の内径 Ｄ４＝１３０ｍｍ 炉内雰囲気温度 ｔｍ₁＝１２００℃ 冷却水の平均温度 ｔｍ₂＝３０℃ 外套管２４の外周面２３における熱伝達係数 α＝４５ｋｃａｌ／（ｍ²・時・℃） 外套管２４の熱伝導率 λ１＝１５ｋｃａｌ／（ｍ・時・℃） 外筒管３１の熱伝導率 λ２＝４０ｋｃａｌ／（ｍ・時・℃） （ａ）炉内雰囲気からロール表面への伝熱量Ｑ Ｑ＝π・Ｄ１・α・（ｔｍ１−ｔ１） ＝π×０.２２×４５×（１２００−８００） ≒１２４３４ ｋｃａｌ／（ｍ²・時） （ｂ）外套管２４と断熱層２６との境界面の温度ｔ２、
外套管２４を厚肉管とすると、 Ｑ＝π・{(Ｄ1＋Ｄ2)／2}・λ1・(ｔ1−ｔ2)／{(Ｄ1−Ｄ2)／2} ＝π×{(0.22＋0.19)／2}×15×(800−ｔ2)／{(0.22−0.19)／2} ∴ｔ２≒７８１℃ （ｃ）断熱層２６と外筒管３１との境界面の温度ｔ３ 外套管３１と冷却水との熱伝達は無視してｔ３＝ｔｍ２
とすると、 Ｑ＝π・{(Ｄ3＋Ｄ4)／2}・λ2・(ｔ3−ｔ4)／{(Ｄ3−Ｄ4)／2} ＝π×{(0.17＋0.13)／2}×40×(ｔ3−30)／{(0.17−0.13)／2} ∴ｔ３≒４３℃ （ｄ）断熱層２６の熱伝導率λ Ｑ＝π・{(Ｄ2＋Ｄ3)／2}・λ・(ｔ2−ｔ3)／{(Ｄ2−Ｄ3)／2} ＝π×{(0.19＋0.17)／2}×λ×(781−43)／{(0.19−0.17)／2} ∴λ≒０.３ ｋｃａｌ／（ｍ・時・℃） すなわち断熱層２６の熱伝導率λ、λ≧０．３ｋｃａｌ
／ｍ・時・℃の断熱材を用いることによって、ロール表
面温度を８００℃以下にすることができる。このような
熱伝導率λ≧０．３ｋｃａｌ／ｍ・時・℃に相当する材
料としては、珪砂、鋳物砂、火山灰および粘土質土など
が掲げられ、これらの各材料の充填密度と熱伝導率とを
表４に示す。

【００３９】

【表４】

【００４０】上記の表４において、鋳物砂および火山灰
は、粒度が小さいため、充填後のシールが困難であり、
流出する危険性が高い。また粘土質土等は、ロール本体
２２が膨張すれば空隙が生じ、冷却効果が低減する恐れ
がある。したがって断熱層２６を構成する材料として
は、珪砂が用いられる。この珪砂は、ＳｉＯ₂ とＡｌ₂
Ｏ₃ が主成分であり、粒度がメッシュ８〜１４（１．１
９〜２．３８ｍｍ）が９９％と比較的粗く、ロール表面
上にたとえ強熱減量または砂粒子の相互運動による磨滅
によって、断熱層２６に空隙が生じても、珪砂の流動に
よって冷却効果を達成することができるため、断熱層２
６を構成する材料として上記の珪砂が好ましい。次に珪
砂を外套管２４と外筒管３１との間に封止するための構
造について説明する。

【００４１】図７は、外套管２４の固定側となる軸線方
向一端部付近の一部の拡大断面図であり、図８は外套管
２４の可動側となる軸線方向他端部付近の一部の拡大断
面図である。前記外套管２４は、前述したようにステン
レス鋼ＳＵＳ３１０から成り、その厚みは、約２８ｍｍ
である。外套管２４の軸線方向一端部は、ステンレス鋼
またはクロム鋼から成る固定リング４１に熔接して固定
され、この固定リング４１は外筒管３１に熔接によって
固定される。このような外套管２４の軸線方向一端部に
おいて、前記固定リング４１よりも軸線方向他端部寄り
には前記断熱層２６を構成する粉粒体４２を充填するた
めの充填孔４３が形成される。この充填孔４３の内周面
には内ねじが刻設され、ビス４４が螺着されて粉粒体４
２が外套管２４と外筒管３１との間の充填空間４５内に
封止される。

【００４２】外套管２４の軸線方向他端部は、図９に部
分的に拡大して示されるように、凹所４６と凸部４７と
が周方向全周にわたって等間隔に形成される。凹所４６
には可動リング４８の各嵌合突部５０が嵌まり込み、各
凸部４７は可動リング４８の嵌合凹所５１にそれぞれ嵌
まり込む。可動リング４８は、大略的に直円筒状のスリ
ーブ５２と、前記嵌合突部５０および嵌合凹所５１が櫛
歯状に形成され、スリーブ５２にボルト５３によって固
定される歯状リング５４とを有する。このような可動リ
ング４８上には断熱材５５が設けられ、その上部をステ
レンス鋼から成るカバー体５６によって覆われている。
可動リング４８よりも軸線方向他端部寄り、すなわち図
８の右寄りには耐熱性材料から成るシール材５７が設け
られ、このシール材５７もまた、前記カバー体５６によ
って覆われている。カバー体５６の軸線方向一端部ビス
５８によって固定リング４１に固定され、カバー体５６
の軸線方向他端部は外筒管３１に熔接によって固定され
たスリーブ５９に熔接によって固定される。このような
構成によって、外套管２４の軸線方向の熱膨張および熱
収縮を許容することができる。

【００４３】図１０は、支持ロール２１の軸線方向一端
部付近の拡大断面図である。前記ロール本体２２におい
て、外筒管３１にはジャーナル６１が同軸に嵌着されて
熔接によって固定される。このジャーナル６１の軸部６
２は、ＪＩＳ Ｂ１５５７に規定されるような転がり軸
受ユニット６３によって、支持ロール２１の軸線が金属
帯を支持したときに湾曲することを許容し得るように、
軸支される。ジャーナル６１には軸孔６４が形成され、
この軸孔６４内には通水管６５が挿通される。この状態
で通水管６５の外周面と軸孔６４の内周面との間には環
状の排水流路６６が形成される。通水管６５の軸線方向
一端部には、前記排水流路６６に連通する排水口６７
と、前記通水管６５に連通する冷却水の供給口６８とを
有するロータリジョイント７４が接続される。通水管６
５の軸線方向他端部には、金属製のたとえばステンレス
鋼から成る直円筒状のジャケット６９が装着され、この
ジャケット６９は端板７０によって内筒管２８に支持さ
れる。内筒管２８とジャケット６９との間の開口はゴム
などの可撓性および弾発性材料から成る環状のシール材
７１によって塞がれる。シール材７１の外周面と外筒管
３１の内周面３２との間には隙間７２が形成され、この
隙間７２を介して外筒管３１内においてシール材７１と
ジャーナル６１との間に形成される空間７３と、外筒管
３１と内筒管２８との間に形成される通水路３３とが連
通する。したがってロータリジョイント７４の供給口６
８から供給された冷却水は、通水管６５およびジャケッ
ト６９を経て内筒管２８の内部空間３４内に供給され、
支持ロール２１の軸線方向他端部を経由して通水路３３
内に導かれ、螺旋状に回転しながら外筒管３１を冷却
し、隙間７２および空間７３を経て排水流路６６を通過
し、ロータリジョイント７４の排水口６７から排出され
る。

【００４４】図１１は、支持ロール２１の軸線方向他端
部付近の拡大断面図であり、図１２は図１１の切断面線
ＸＩ−ＸＩから見た断面図である。前記ロール本体２２
の軸線方向他端部において、外筒管３１には、ジャーナ
ル８１が装着され、熔接によって固定される。このジャ
ーナル８１の軸部８２は、前述の転がり軸受ユニット６
３と同様な構成を有するもう一つの転がり軸受ユニット
８３によって軸支される。内筒管２８の軸線方向他端部
は、円錐台状に形成される縮径部分８４を有し、この縮
径部分８４は複数（本形態では４）のリブ８５ａ〜８５
ｄによって外筒管３１に支持される。

【００４５】前記ロータリジョイント７４の供給口６８
から供給された冷却水は、内筒管２８内を軸線方向一端
部から他端部側に向けて通過し、前記縮径部分８４の開
口８６から内筒管２８内における各リブ８５ａ〜８５ｄ
とジャーナル８１との間の空間８７に吐出され、図１１
の矢印で示されるように各リブ８５ａ〜８５ｄ間を通っ
て、内筒管２８と外筒管３１との間の通水路３３内へ供
給される。このようにして通水路３３に軸線方向他端部
側から供給された冷却水は、ワイヤロッド３０に沿って
螺旋状に通水路３３内を流過し、前記表層２７、断熱層
２６、外套管２４を経て伝わってきた熱を回収して、前
記排水口６７から排出され、図６に関連して述べたよう
に、外筒管３１の内周面３２を約３０℃に維持すること
ができる。したがって焼鈍炉内が約１３００℃程度に高
温となっても、ロール表面をビルドアップが成長しない
温度を、たとえば約７００℃に保ち、かつ支持ロール２
１の熱による強度の低下および磨滅を防ぎ、耐久性を向
上することができる。

【００４６】本発明の他の形態として、図１に示される
ように、断熱層２６に複数の温度検出器３９を設けて外
套管２４の内面温度を検出し、この検出温度に基づいて
電磁弁４０を冷却水流量制御手段６０によって制御し、
冷却水の供給量を調整するようにしてもよい。

【００４７】以上のような本発明に従う支持ロールは、
カテナリ型焼鈍炉などの横型加熱炉だけでなく、光輝焼
鈍炉などによって代表される縦型焼鈍炉のトップロール
として用いることも可能である。

【００４８】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、ロール
本体と外套管との間には断熱層が介在され、前記ロール
本体には冷却水が供給される。外套管の外周面上には耐
熱性材料から成る表層が形成される。このような構成に
よって、雰囲気熱処理炉内のたとえば７００〜１３００
℃程度の高温雰囲気中において、表層および外套管が高
温となっても、断熱層によって表層および外套管からの
熱がロール本体に伝達される熱伝達量を少なくして、ロ
ール本体だけでなく外套管の内周部も表層および外套管
の外周部に比べて低い温度に維持し、かつロール表面を
できるだけ高い温度に維持して、炉内の熱効率を低下さ
せることなしに、耐ビルドアップ性を向上させることが
できる。またロール本体への冷却水の供給量を適宜調整
することによって、ロールの表面温度を金属帯の熱処理
に適した温度に正確に制御することができる。

【００４９】請求項２記載の本発明によれば、ロール本
体に供給される冷却水の供給量は、流量制御手段によっ
て温度検出手段による検出温度が予め定める設定温度を
保つように制御される。このような構成によって、支持
ロールの表面温度を正確に金属帯の熱処理に適した温度
に制御することが可能となる。たとえば支持ロールを焼
鈍炉の強制対流式予熱帯、放射式予熱帯および複数の室
から成る加熱帯にそれぞれ設けたとき、各領域での雰囲
気温度に応じたロール表面温度となるように温度管理を
行うことができる。

【００５０】請求項３記載の本発明によれば、溶射によ
って外套管の外周面に表層が形成されるので、前記表層
を大きな密着強度で外套管の外周面に形成することがで
き、これによって外套管の外周面の高温における酸化に
よる耐剥離性を向上し、剥離による高温強度の低下を防
ぐことができる。

【００５１】請求項４記載の本発明によれば、Ｃｒ₂Ｏ₃
の酸化速度の低減および酸化皮膜の剥離抑制効果によっ
て、外套管の外周面を保護し、支持ロールの耐磨耗性を
向上し、耐久性を向上することができる。

【００５２】請求項５記載の本発明によれば、断熱層の
熱伝導率を約０．３ｋｃａｌ／（ｍ・時・℃）以上とす
ることによって、支持ロールのロール表面を炉内の高温
雰囲気温度と同程度にして、ロール本体への熱伝達を低
減し、ロール本体を熱から保護するとともに、ロール本
体の熱膨張にする歪や強度の低下を防ぐことができる。

【００５３】請求項６記載の本発明によれば、上記各種
の材料から成る粉粒体が用いられるので、粉粒体とその
粒子間の空隙とによる相乗効果によって、断熱層の熱伝
導率を上記のように約０．３ｋｃａｌ／（ｍ・時・℃）
以上とすることができる。

【００５４】請求項７記載の本発明によれば、外套管の
軸線方向一端部がロール本体に固定されるとともに、こ
の外套管の軸線方向他端部が端板によってロール本体に
軸線方向に沿って移動可能に支持されるので、外套管お
よびロール本体の熱膨張および熱収縮による軸線方向の
相対的なずれを許容することができ、外套管およびロー
ル本体の材質が相互に異なることによる収縮率または伸
び率の相違によって、支持ロールに歪を生じることが防
がれる。

【００５５】請求項８記載の本発明によれば、外筒管の
内部空間内に軸線方向一端部側から供給された冷却水
は、内部空間内を軸線方向他端部側へ導かれ、内筒管の
外周面と外筒管の内周面との間にスペーサによって形成
される通水路内に供給される。このような通水路内の冷
却水によって、外筒管は十分に冷却されて抜熱され、前
記断熱層を介して伝達される熱を吸収して、外筒管を適
度な温度に冷却することができる。しかも冷却水は螺旋
状の通水路内に供給されるので、冷却水が外筒管の内周
面に接触している時間を十分に確保することができ、こ
れによって冷却水による熱回収を広い温度範囲で達成
し、ロール表面の温度を正確かつ確実に制御することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の支持ロール２１を示す
断面図である。

【図２】図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た拡大断面図
である。

【図３】各種耐熱材料の加熱による時間経過に伴う重量
変化を示すグラフである。

【図４】表層２７の構成を示す一部の拡大断面図であ
る。

【図５】表層２７の他の構成を示す一部の拡大断面図で
ある。

【図６】支持ロール２１の断熱層２６による熱伝達量を
求めるための模式化した断面図である。

【図７】断熱層２６の軸線方向一端部付近の一部の拡大
断面図である。

【図８】断熱層２６の軸線方向他端部付近の一部の拡大
断面図である。

【図９】固定リング４１および可動リング４８の一部を
拡大して示す斜視図である。

【図１０】支持ロール２１の軸線方向一端部付近の拡大
断面図である。

【図１１】支持ロール２１の軸線方向他端部付近の拡大
断面図である。

【図１２】図１１の切断面線ＸＩ−ＸＩから見た断面図
である。

【図１３】従来の支持ロール１において異物の付着によ
るビルドアップ層の形成状態を示す一部の拡大断面図で
ある。

【図１４】従来の支持ロール１の構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

２１ 支持ロール ２２ ロール本体 ２４ 外套管 ２６ 断熱層 ２７ 表層 ２８ 内筒管 ３０ ワイヤロッド ３１ 外筒管 ３３ 通水路 ３４ 内部空間 ４２ 粉粒体 ６５ 通水管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 秀美 山口県新南陽市野村南町4976番地 日新製 鋼株式会社周南製鋼所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸線方向一端部から他端部にわたって冷
   却水が供給される通水路が形成されるロール本体と、 ロール本体に冷却水を供給する冷却水供給源と、 ロール本体の外周面よりも半径方向外方に間隔をあけて
   前記ロール本体に同軸に装着される金属製の外套管と、 外套管の内周面とロール本体の外周面との間に介在さ
   れ、断熱性を有する粉粒体から成る断熱層と、 外套管の外周面上に形成され、耐熱温度が少なくとも７
   ００℃以上の耐熱性材料から成る表層とを含むことを特
   徴とする雰囲気熱処理炉に用いられる金属帯の支持ロー
   ル。
2. 【請求項２】 前記外套管に設けられる温度検出器と、 前記外套管の温度を検出する手段と、 冷却水供給源からロール本体へ供給される冷却水の供給
   量を、前記温度検出器によって検出された外套管の検出
   温度に基づいて、その検出温度が予め定める設定温度に
   保たれるように制御する流量制御手段とを含むことを特
   徴とする請求項１記載の雰囲気熱処理炉に用いられる金
   属帯の支持ロール。
3. 【請求項３】 前記表層は、外套管の外周面に前記耐熱
   性材料を溶射して形成されることを特徴とする請求項１
   または２記載の雰囲気熱処理炉に用いられる金属帯の支
   持ロール。
4. 【請求項４】 前記表層は、Ｃｒ₂Ｏ₃，Ａｌ₂Ｏ₃を含む
   耐熱性材料から成ることを特徴とする請求項１〜３のい
   ずれかに記載の雰囲気熱処理炉に用いられる金属帯の支
   持ロール。
5. 【請求項５】 前記断熱層は、約０．３ｋｃａｌ／（ｍ
   ・時・℃）以上の熱伝導率を有することを特徴とする請
   求項１〜４のいずれかに記載の雰囲気熱処理炉に用いら
   れる金属帯の支持ロール。
6. 【請求項６】 前記粉粒体は、ステンレス鋼粉、クロム
   鋼粉、珪砂、鉄粉、セラミックス粉または繊維、および
   繊維状または糸状のアスベストのうちいずれか１つまた
   は複数から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれ
   かに記載の雰囲気熱処理炉に用いられる金属帯の支持ロ
   ール。
7. 【請求項７】 前記外套管は、その軸線方向一端部がロ
   ール本体に固定され、軸線方向他端部が耐熱性材料から
   成る環状の端板によってロール本体に軸線方向に移動可
   能に支持されることを特徴とする請求項１〜６のいずれ
   かに記載の雰囲気熱処理炉に用いられる金属帯の支持ロ
   ール。
8. 【請求項８】 前記ロール本体は、中空の内筒管と、こ
   の内筒管の外周面に螺旋状に巻回される長尺のスペーサ
   と、スペーサが巻回された内筒管が挿入され、熱伝導性
   を有する材料から成る外筒管とを含み、内筒管の外周面
   と外筒管の内周面との間には、前記スペーサによって螺
   旋状の通水路が形成され、この通水路は、ロール本体の
   軸線方向一端部側で内筒管の内部空間に連通し、軸線方
   向他端部側から前記内部空間内へ冷却水が供給されるこ
   とを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の雰囲気
   熱処理炉に用いられる金属帯の支持ロール。